有机分子薄膜中自旋注入与输运机制的研究

发布时间：2017-10-29 21:00

  本文关键词：有机分子薄膜中自旋注入与输运机制的研究

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【摘要】：由于有机半导体具有一些优良的特性,在过去的几十年中,针对有机电子学的基础研究和应用技术都受到了广泛的关注,并且取得了重要的进展。实现了有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OTFT)和有机太阳能电池等多种基于有机半导体的光电子学器件。基于OLED的显示技术更是已经实现了商业化。另一方面,自旋电子学也是一个快速发展的领域。自旋电子学主要是利用电子的自旋自由度来处理和传输信息,以实现高速度、低功耗的电子器件。有机自旋电子学是有机电子学和自旋电子学交叉而产生的一个新兴领域。由于有机半导体材料中的自旋一轨道耦合和超精细相互作用都比较弱,所以有机半导体材料具有很长的自旋弛豫时间(τs),十分有利于自旋的输运。自2002年第一次在有机器件中发现磁电阻效应起,人们对有机自旋电子学进行大量的实验和理论研究,然而作为一门新兴的学科,有机自旋电子学依然有很多基本物理问题还没有解决。在攻读博士期间,我主要研究的是有机半导体中的自旋注入、输运和弛豫机制。我的论文主要分为以下几个部分：1. 为了理解有机自旋阀中磁电阻的符号物理起源,我们研究了Lao.7Sro.3Mn03 (LSMO)/隧穿层/Alq3/Co自旋阀器件的输运性质。实验中我们观察到高度非对称的磁电阻随偏压的变化关系：负磁电阻的极值出现在负偏压,当外加一定的正偏压时,磁电阻符号会发生反转。并且这样的磁电阻偏压关系与隧穿层是STO还是A1203无关。通过第一性原理计算,我们发现Alq3分子与Co的d轨道有很强的耦合,从而导致Co的d电子在Co/Alq3界面的有效注入。而实验中观察到的特殊的磁电阻偏压关系正是Co的d轨道态密度随能量变化引起的。从而揭示了一般的LSMO/Alq3/Co自旋阀器件中呈现负MR的物理起源：Co的费米能级附近的有效自旋极化率为负,而LSMO为正。2. 我们系统研究了LSMO/Alq3/Al/Co自旋阀器件的输运性质。当插入的A1界面层厚度增加时,器件电阻和伏安曲线的对称性发生了很大变化,说明我们得到的是一个电子传输主导的器件。同时我们发现当A1达到一定厚度以后,器件磁电阻的符号与外加偏压极性相关。我们认为这个现象是偏压极性的改变会改变器件自旋注入和探测的有效能级位置导致的。3. 通过自旋泵浦的方法,在Y3Fe5O12(YIG)/Alq3/Pd器件中,我们实现了YIG向Alq3分子的纯自旋流注入。实验中当在面外扫描磁场时,我们观察到逆自旋霍尔电压随外加磁场的异常角度关系,与最近Watanabe等人报道的十分类似[Nat. Phys.10,308 (2014)]。通过进一步实验,我们认为这个现象的来源是共面波导的微波磁场分布不均匀,而不是真正的Hanle效应。同时,我们发现测量的Alq3自旋扩散长度在8K到300K的温度区间内基本与温度无关,目前只有交换作用引起的自旋输运的机制能够解释该结果。Hanle效应的缺失和自旋扩散长度与温度无关这两个实验证据都强烈的支持纯自旋流在Alq3中的输运是交换作用引起的自旋输运的机制主导的。
【关键词】：有机自旋电子学 磁电阻 自旋注入 自旋泵浦 纯自旋流
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469;O484
【目录】：

• 中文摘要5-7
• 英文摘要7-11
• 第一章 绪论11-37
• 1.1 自旋电子学简介11
• 1.2 铁磁材料与Mott二流体模型11-13
• 1.3 铁磁/非磁/铁磁三明治结构的磁电阻效应13-17
• 1.3.1 巨磁电阻(GMR)效应13-14
• 1.3.2 隧道磁电阻(TMR)效应14-15
• 1.3.3 自旋极化率15-17
• 1.4 自旋注入17-21
• 1.4.1 电导失配问题17-19
• 1.4.2 Hanle效应19-21
• 1.5 自旋弛豫机制21-26
• 1.5.1 Elliott-Yafet(EY)机制22-23
• 1.5.2 D'yakonov-Perel’(DP)机制23-24
• 1.5.3 Bir-Aronov-Pikus(BAP)机制24-25
• 1.5.4 超精细相互作用机制25-26
• 1.6 有机自旋电子学26-33
• 1.6.1 有机自旋阀26-27
• 1.6.2 铁磁有机界面的自旋注入27-30
• 1.6.3 有机半导体中的自旋弛豫30-33
• 参考文献33-37
• 第二章 实验技术和方法37-47
• 2.1 有机自旋阀器件的制备37-41
• 2.1.1 激光分子束外延与氧化物薄膜生长37-38
• 2.1.2 气体散射生长金属电极38-41
• 2.2 微纳加工41-44
• 2.2.1 紫外光刻与电子束光刻41-42
• 2.2.2 聚焦离子束刻蚀42-44
• 2.3 样品表征44-46
• 2.3.1 磁性质测量44
• 2.3.2 磁输运性质与铁磁共振测量44-46
• 参考文献46-47
• 第三章 Alq_3/Co界面自旋注入的研究47-63
• 3.1 前言47-48
• 3.2 实验48-50
• 3.3 结果与讨论50-59
• 3.4 主要结论59-60
• 参考文献60-63
• 第四章 有机自旋阀中偏压极性调控磁电阻符号的研究63-73
• 4.1 前言63
• 4.2 实验63-64
• 4.3 结果与讨论64-69
• 4.4 主要结论69-70
• 参考文献70-73
• 第五章 Alq_3分子中纯自旋流的注入与输运性质的研究73-87
• 5.1 前言73-74
• 5.2 实验74-76
• 5.3 结果与讨论76-84
• 5.4 主要结论84-85
• 参考文献85-87
• 总结87-89
• 攻读博士学位期间发表的论文89-91
• 致谢91-92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 任俊峰;付吉永;解士杰;;有机自旋电子学[J];物理;2006年10期

2 杨苗苗;马元春;蔡斌;;双束聚焦离子束工作原理及微电子领域的应用[J];现代科学仪器;2014年01期

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本文编号：1114613